JP2013541161A - Lithium titanate battery with reduced gas generation - Google Patents
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Abstract
リチウム電池を製造する方法が開示されている。この方法は、動作電圧範囲を有するリチウム電池であって、負極、正極、およびこれらの負極と正極に接触し、それらの間にある電解質を含むリチウム電池を提供する工程を含み得る。負極はチタン酸リチウムを含み、電解質は添加剤を含み得る。この方法は、添加剤を還元して、電解質と接触した負極の表面にコーティングを形成する工程も含み得る。この還元工程は、リチウム電池を、動作電圧範囲の上限より大きい電圧まで過充電し、負極の電圧をリチウムに対して0.2〜1Vに低下させる工程を含み得る。 A method of manufacturing a lithium battery is disclosed. The method can include providing a lithium battery having an operating voltage range, comprising a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte in contact with and between the negative electrode and the positive electrode. The negative electrode can include lithium titanate and the electrolyte can include an additive. The method may also include the step of reducing the additive to form a coating on the surface of the negative electrode in contact with the electrolyte. This reduction step may include the step of overcharging the lithium battery to a voltage that is greater than the upper limit of the operating voltage range and lowering the negative electrode voltage to 0.2-1 V relative to lithium.
Description
本出願は、2008年1月17日に出願された米国特許出願第12/015901号の一部継続出願であり、2007年1月17日に出願された米国仮特許出願第60/880818号、2007年1月19日に出願された米国仮特許出願第60/881263号、および2007年2月2日に出願された米国仮特許出願第60/899089号に優先権を主張する、2010年9月20日に出願された米国特許出願第12/885894号に基づくものであり、先の出願の全てがここに全て明白に引用される。 This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 12/015901 filed on January 17, 2008, and U.S. Provisional Patent Application No. 60/880818 filed on January 17, 2007, US Provisional Patent Application No. 60/882126, filed Jan. 19, 2007, and US Provisional Patent Application No. 60/899089, filed Feb. 2, 2007. Based on US patent application Ser. No. 12 / 888,894 filed on Jan. 20, all of the previous applications are hereby expressly cited.
本発明は、広く、リチウムバッテリーを製造する方法、特に、リチウムバッテリーの負極に膜を形成する方法に関する。 The present invention relates generally to a method of manufacturing a lithium battery, and more particularly to a method of forming a film on the negative electrode of a lithium battery.
例えば、ハイブリッド車などの自動車は多数の推進システムを使用して、原動力を提供している。最も一般的なハイブリッド車はガソリンと電気を併用するハイブリッド車であり、このハイブリッド車は、内燃機関(ICE)と電気モータの両方を備えている。ガソリンと電気を併用するハイブリッド車は、ICEを動かすためにガソリンを使用し、電気モータを動かすためにバッテリーを使用する。ガソリンと電気を併用するハイブリッド車は、運動エネルギーを獲得することによってバッテリーを再充電する。この運動エネルギーは、回生制動により、もしくは巡航中またはアイドリング中にICEの出力から、提供され得る。これは、純粋な電気自動車とは対照をなす。この電気自動車は、電力供給網またはレンジエクステンダー・トレーラー(range extending trailer)などの外部供給源により充電されるバッテリーを使用する。 For example, vehicles such as hybrid vehicles use a number of propulsion systems to provide motive power. The most common hybrid vehicle is a hybrid vehicle that uses both gasoline and electricity, and this hybrid vehicle includes both an internal combustion engine (ICE) and an electric motor. Hybrid vehicles that use both gasoline and electricity use gasoline to run the ICE and use a battery to run the electric motor. Hybrid vehicles that use both gasoline and electricity recharge the battery by acquiring kinetic energy. This kinetic energy can be provided by regenerative braking or from the output of the ICE during cruise or idling. This is in contrast to a pure electric car. The electric vehicle uses a battery that is charged by an external source such as a power supply network or a range extending trailer.
これらのバッテリーは、概して、イオン伝導性電解質中に浸漬された2つの異なる電極、すなわち、アノードとカソードを、これらの2つの電極の間に配置されたセパレータと共に含む充電式リチウム系電池を含む。電気エネルギーは、2つの異なる電極の間で生じる電気化学反応によってセル中で生じる。 These batteries generally include a rechargeable lithium-based battery that includes two different electrodes immersed in an ion conducting electrolyte, namely an anode and a cathode, with a separator disposed between the two electrodes. Electrical energy is generated in the cell by an electrochemical reaction that occurs between two different electrodes.
バッテリーに課せられる最大の需要は、加速中に電気モータを作動させるために電流を供給しなければならないときに生じる。電気モータのアンペア数の要件は、数百アンペアに及ぶであろう。必要なアンペア数を供給できるバッテリーのほとんどのタイプは、大容量を有する、すなわち嵩張る輸送容器が必要であり、その結果、バッテリーの質量が過剰となり、バッテリーのコストが嵩む。これと同時に、そのような大電流は、短期間しか、通常は数秒しか必要とされない。したがって、短期間に大電流を供給する、いわゆる「高出力」バッテリーは、典型的に、ハイブリッド車および純粋な電気自動車の用途に理想的である。 The greatest demand placed on the battery arises when current must be supplied to operate the electric motor during acceleration. Electric motor amperage requirements will range to hundreds of amperes. Most types of batteries that can supply the required amperage require large capacity, i.e., bulky shipping containers, which results in excessive battery mass and high battery costs. At the same time, such large currents are only needed for a short period, usually a few seconds. Thus, so-called “high power” batteries that deliver large currents in a short period of time are typically ideal for hybrid and pure electric vehicle applications.
リチウム電池、リチウムイオン電池、またはリチウムポリマー電池のいずれかとして特徴付けられることもある充電式リチウム系電池を含む充電式バッテリーは、ハイブリッド車が、経済的でありながら性能基準を満たせるようにするのに必要な出力とサイクル寿命の可能性と、大電力発電容量を兼ね備えている。「大電力発電容量(high electric power-generating capacity)」とは、充電式バッテリーが、鉛酸バッテリーのエネルギー密度の4倍、そしてニッケル・カドミウムおよびニッケル・金属水素化物バッテリーのエネルギー密度の2〜3倍のエネルギー密度を有することを意味する。リチウム系電池を含む充電式バッテリーは、最低のコストのバッテリーシステムの内の1つであるという可能性も有する。 Rechargeable batteries, including rechargeable lithium-based batteries, sometimes characterized as either lithium batteries, lithium ion batteries, or lithium polymer batteries, enable hybrid vehicles to meet performance standards while being economical. It combines the power and cycle life required with high power generation capacity. “High electric power-generating capacity” means that the rechargeable battery is 4 times the energy density of lead acid batteries and 2 to 3 times the energy density of nickel-cadmium and nickel-metal hydride batteries. It means having double energy density. Rechargeable batteries, including lithium-based batteries, also have the potential to be one of the lowest cost battery systems.
式Li4Ti5O12(またはLi4/3Ti5/3O4)により表されるチタン酸リチウムが、充電式リチウムイオンおよびリチウムポリマー電池のアノードに使用するための最も見込みのある材料の内の1つであると考えられる。チタン酸リチウムLi4Ti5O12は、A. Deschanvers等(非特許文献1)から公知である。後にK. M. Colbow等(非特許文献2)により発行されたように、Li4Ti5O12は、可逆的な電気化学反応で機能することができるのに対し、元素のリチウムはそのような可逆反応をする能力がない。T. Ozhuku等(非特許文献3)により詳細な研究が行われた後、チタン酸リチウムは、ロッキングチェア型リチウム電池のアノード材料としての使用に検討されるようになってきた。実際に、Koshiba等の特許文献1には、チタン酸リチウムにおいて様々な比率のリチウム対チタンを有するチタン酸リチウムの使用が開示されている。より詳しくは、特許文献1のチタン酸リチウムは式LixTiyO4のものであり、リチウム電池のカソードにおいて、0.8≦x≦1.4および1.6≦y≦2.2である。特許文献1は、基本的に、x+y≒3であると明記している。言い換えれば、特許文献1は、チタン酸リチウムが、リチウムとチタンの酸素に対する化学量論的量があるようにリチウムとチタンの合計量が約3である限り、異なる比率のリチウム対チタンを含んでよいことを教示している。Thackeray等の特許文献2にも、リチウム電池のアノードとして使用されるチタン酸リチウムが開示されている。このチタン酸リチウムは、リチウムの分布が化合物ごとに異なり得る化学量論的または欠陥スピネルであってよい。
Lithium titanate represented by the formula Li 4 Ti 5 O 12 (or Li 4/3 Ti 5/3 O 4 ) is the most promising material for use in rechargeable lithium ion and lithium polymer battery anodes. Is considered one of them. Lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12 is known from A. Deschanvers et al. Li 4 Ti 5 O 12 can function in a reversible electrochemical reaction, as was later published by KM Colbow et al. (Non-Patent Document 2), whereas elemental lithium is such a reversible reaction. There is no ability to do. After detailed research by T. Ozhuku et al. (Non-Patent Document 3), lithium titanate has been considered for use as an anode material for rocking chair type lithium batteries. In fact, Koshiba et al., US Pat. No. 5,677, 199 discloses the use of lithium titanate having various ratios of lithium to titanium in lithium titanate. More specifically, the lithium titanate of
可逆的な電気化学反応で機能する能力に加え、Li4Ti5O12には、この物質を充電式リチウム系電池において有用にする他の利点もある。例えば、充放電プロセス中のチタン酸リチウムの独特な小さい容積変化のために、チタン酸リチウムには優れたサイクル特性がある。すなわち、電池が劣化せずに、充放電の多くのサイクルが行われ得る。このチタン酸リチウムの優れたサイクル特性は、主に、Li4Ti5O12の立方晶スピネル構造のためである。S. Scharner等(非特許文献4)のデータによれば、立方晶スピネル構造の格子パラメータ(立方晶、Sp.Gr.Fd−3m(227))は、充放電の最中に極限状態で8.3595Åから8.3538Åまで変動する。この線形パラメータ変化は、0.2%の容積変化と等しい。Li4Ti5O12は、元素のリチウムに対して約1.55Vの電気化学電位を有し、これにリチウムを挿入して、式Li7Ti5O12により表される挿入チタン酸リチウムを生成することができ、これは、175mA・時/gまでの理論的電力発電容量を有する。 In addition to the ability to function in reversible electrochemical reactions, Li 4 Ti 5 O 12 has other advantages that make this material useful in rechargeable lithium-based batteries. For example, lithium titanate has excellent cycling characteristics due to the unique small volume change of lithium titanate during the charge / discharge process. That is, many cycles of charging and discharging can be performed without deterioration of the battery. The excellent cycle characteristics of this lithium titanate are mainly due to the cubic spinel structure of Li 4 Ti 5 O 12 . According to the data of S. Scharner et al. (Non-Patent Document 4), the lattice parameter of the cubic spinel structure (cubic, Sp. Gr. Fd-3m (227)) is 8 in the limit state during charging and discharging. It varies from 3595cm to 8.3538cm. This linear parameter change is equal to a 0.2% volume change. Li 4 Ti 5 O 12 has an electrochemical potential of about 1.55 V with respect to elemental lithium, and lithium is inserted into this to insert the inserted lithium titanate represented by the formula Li 7 Ti 5 O 12. Which can have a theoretical power generation capacity of up to 175 mA · hr / g.
Li4Ti5O12の別の利点は、平らな放電曲線を有することである。より詳しくは、Li4Ti5O12の充放電のプロセスは、二相系で生じる。Li4Ti5O12は、スピネル構造を有し、充電中に、Li7Ti5O12に転換し、これは、規則的な岩塩型構造を有する。その結果、充放電のプロセス中の電位は、Li4Ti5O12/Li7Ti5O12対の電気化学平衡により決定され、リチウムの濃度には依存しない。このことは、充放電のプロセス中に構造を維持する、リチウム電源のほとんどの他の電極材料の放電曲線とは対照的である。例えば、LiCoO2などのほとんどのカソード材料における充電相の転移は予め決まっているが、これらの構造の間には可変組成LixCoO2の拡張限界がまだある。その結果、LiCoO2などの材料の電位は、LiCoO2中のリチウム濃度、すなわち、充電または放電の状態に依存する。それゆえ、電位が材料中のリチウム濃度に依存する材料の放電曲線は、概して、傾斜しており、しばしば、階段状曲線である。 Another advantage of Li 4 Ti 5 O 12 is that it has a flat discharge curve. More specifically, the charging / discharging process of Li 4 Ti 5 O 12 occurs in a two-phase system. Li 4 Ti 5 O 12 has a spinel structure and converts to Li 7 Ti 5 O 12 during charging, which has a regular rock salt structure. As a result, the potential during the charge / discharge process is determined by the electrochemical equilibrium of the Li 4 Ti 5 O 12 / Li 7 Ti 5 O 12 pair and does not depend on the lithium concentration. This is in contrast to the discharge curves of most other electrode materials of a lithium power supply that maintain the structure during the charge / discharge process. For example, the charge phase transition in most cathode materials such as LiCoO 2 is predetermined, but there is still an expansion limit for the variable composition Li x CoO 2 between these structures. As a result, the potential of the material, such as LiCoO 2, lithium concentration in LiCoO 2, i.e., depends on the state of charge or discharge. Therefore, the discharge curve of a material whose potential depends on the lithium concentration in the material is generally sloped and is often a stepped curve.
当該技術分野には、優れた電力発電容量の維持は、優れた電子伝導率に相関するという全体的な合意がある。Li4Ti5O12は、+4の最高の酸化度のチタンを含み、これは、非常に低い電子伝導率に相関する。類似の化合物の電子伝導率は低く、それらの化合物の多くが不明確な誘電体または絶縁体である。Li4Ti5O12自体の発電容量は、決して理想的ではない。同じことが、先に述べた特許文献1および2のチタン酸リチウムにも当てはまる。
There is a general consensus in the art that maintaining good power generation capacity correlates with good electronic conductivity. Li 4 Ti 5 O 12 contains titanium with the highest degree of oxidation of +4, which correlates with a very low electronic conductivity. Similar compounds have low electronic conductivity, and many of these compounds are ambiguous dielectrics or insulators. The power generation capacity of Li 4 Ti 5 O 12 itself is never ideal. The same applies to the lithium titanate of
概して、Li4Ti5O12の電子伝導率は、M. Nakayama等(非特許文献5)により開示されているように、Li4Ti5O12に3d元素をドープすることによって改善される。例えば、Li4Ti5O12とLiCrTiO4との間の固溶体と考えられる、Li[Li(4-x)/3CrxTi(5-2x)/3]O4の電子伝導率は、Li4Ti5O12の電子伝導率よりも良い。しかしながら、Li4Ti5O12においてチタンイオンと置換されるCrイオンの量が増加すると、Crイオンの存在に起因する電気化学的不活性のために、Li4Ti5O12と比べて、可逆的な電力発電容量が低下してしまう。Crイオンが存在すると、Li4Ti5O12の面積比インピーダンス(ASI)と速度能力と比べると、ASIが低下し、速度能力が増加する。この能力の損失は、置換されたチタンの割り当てに実質的に等しい。 Generally, the electronic conductivity of Li 4 Ti 5 O 12 is, M. Nakayama, etc. as disclosed by (non-patent document 5), it is improved by doping the 3d elements in Li 4 Ti 5 O 12. For example, the electronic conductivity of Li [Li (4-x) / 3 Cr x Ti (5-2x) / 3 ] O 4 , considered as a solid solution between Li 4 Ti 5 O 12 and LiCrTiO 4 , is Li Better than the electronic conductivity of 4 Ti 5 O 12 . However, when the amount of Cr ions substituted for titanium ions in Li 4 Ti 5 O 12 is increased, it is reversible compared to Li 4 Ti 5 O 12 due to electrochemical inactivity due to the presence of Cr ions. Power generation capacity will be reduced. When Cr ions are present, the ASI decreases and the speed capability increases as compared to the area specific impedance (ASI) and speed capability of Li 4 Ti 5 O 12 . This loss of capacity is substantially equal to the substitution of substituted titanium.
チタン酸リチウムのチタンを置換する他の試みも同様の欠点を示す。例えば、Li4Ti5O12中のチタンをバナジウム、マンガン、および鉄で置換すると、最初の充放電サイクル中に可逆的な電力発電容量が著しく損なわれてしまう。非特許文献6を参照のこと。
Other attempts to replace titanium in lithium titanate show similar drawbacks. For example, replacing titanium in Li 4 Ti 5 O 12 with vanadium, manganese, and iron significantly reduces reversible power generation capacity during the first charge / discharge cycle. See
その上、チタン酸リチウムの使用は、使用中にガスが生成されるために、困難であることが判明した。密封されたリチウム電池内でガスが生成されると内圧が生じ、これにより、電池の効率が減少したり、電池が破裂したりすることがある。 Moreover, the use of lithium titanate has proven difficult due to the generation of gas during use. When gas is generated in a sealed lithium battery, an internal pressure is generated, which can reduce battery efficiency or cause the battery to rupture.
上記に鑑みて、チタン酸リチウムに特徴的な可逆的な電力発電能力を維持しながら、優れた電子伝導率を示すように改良されたチタン酸リチウムを提供する機会が依然としてある。 In view of the above, there remains an opportunity to provide improved lithium titanate to exhibit excellent electronic conductivity while maintaining the reversible power generation capability characteristic of lithium titanate.
バッテリーを製造する方法が開示されている。この方法は、ある動作電圧範囲を有するリチウム電池を提供する工程を含み得る。このリチウム電池は、負極、正極、およびこれらの負極と正極に接触し、それらの間にある電解質を含み得る。負極はチタン酸リチウムを含み得、正極はチタン酸リチウムを含み得、または負極と正極の両方ともチタン酸リチウムを含み得る。電解質は添加剤を含み得る。 A method of manufacturing a battery is disclosed. The method may include providing a lithium battery having a certain operating voltage range. The lithium battery can include a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte in contact with and between the negative and positive electrodes. The negative electrode can include lithium titanate, the positive electrode can include lithium titanate, or both the negative electrode and the positive electrode can include lithium titanate. The electrolyte can include additives.
前記方法は、添加剤を還元することによって、電解質と接触した負極の界面にコーティングを形成する工程を含み得る。この形成工程は、負極の電圧をリチウムに対して0.2〜1Vの範囲、またはリチウムに対して0.5〜0.9Vの範囲に降下させながら、リチウム電池を動作電圧範囲の上限より高い電圧まで過充電する工程を含み得る。 The method can include forming a coating at the interface of the negative electrode in contact with the electrolyte by reducing the additive. This forming step is performed by lowering the voltage of the negative electrode to a range of 0.2 to 1 V with respect to lithium or a range of 0.5 to 0.9 V with respect to lithium while making the lithium battery higher than the upper limit of the operating voltage range. Overcharging to a voltage may be included.
形成工程の期間は、負極の界面に連続コーティングを生じるのに十分であり得る。動作電圧範囲の下限は1.3V以上であり得る。電解質は、1.5Vから3.0Vのリチウムに対する電位で分解し得、連続コーティングは、0から4Vに及ぶ電圧で電解質の分解を防ぎ得る。 The duration of the formation process may be sufficient to produce a continuous coating at the negative electrode interface. The lower limit of the operating voltage range may be 1.3V or higher. The electrolyte can decompose at a potential for lithium of 1.5V to 3.0V, and the continuous coating can prevent electrolyte decomposition at voltages ranging from 0 to 4V.
前記添加剤は、ホウ素、リン、硫黄、フッ素、炭素、およびそれらの組合せからなる群より選択される元素成分を含み得る。この添加剤は、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド(Li(CF3SO2)2N)、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4)、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム(LiSbF6)、リチウムテトラフルオロ(オキサレート)ホスフェート(LiFOP)、リチウムジフルオロ(オキサレート)ボレート(LiFOB)、ホスフェゼン、CO2、リン酸エステル、ホウ酸エステル、および水からなる群より選択される添加剤であり得る。添加剤は、リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)、ホスファゼン、または両方の混合物であり得る。 The additive may include an elemental component selected from the group consisting of boron, phosphorus, sulfur, fluorine, carbon, and combinations thereof. This additive includes lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bisoxalate borate (LiBOB), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF) 3 SO 3 ), lithium bis (trifluoromethanesulfone) imide (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ), lithium hexafluoroantimonate (LiSbF 6), lithium tetrafluoro (oxalato) phosphate (LiFOP), lithium difluoro (oxalato) borate (LiFOB), Hosufezen, CO 2, phosphate esters, borate esters, and from the group consisting of water It may be additive-option. The additive can be lithium bisoxalate borate (LiBOB), phosphazene, or a mixture of both.
添加剤は、少なくとも1種類のキレートホウ酸塩を含み得る。添加剤は、カーボネート、炭酸クロロエチレン、炭酸ビニレン、炭酸ビニルエチレン、サルファイト、亜硫酸エチレン、プロパンスルホン、亜硫酸プロピレン、ブチロラクトン、フェニルエチレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、カテコールカーボネート、酢酸ビニル、炭酸ビニルエチレン、亜硫酸ジメチル、炭酸フルオロエチレン、炭酸トリフルオロプロピレン、ブロモガンマブチロラクトン、フルオロガンマブチロラクトン、およびそれらの組合せからなる群より選択される添加剤であり得る。 The additive may include at least one chelate borate. Additives: carbonate, chloroethylene carbonate, vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, sulfite, ethylene sulfite, propane sulfone, propylene sulfite, butyrolactone, phenyl ethylene carbonate, phenyl vinylene carbonate, catechol carbonate, vinyl acetate, vinyl ethylene carbonate, sulfurous acid It can be an additive selected from the group consisting of dimethyl, fluoroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, bromogammabutyrolactone, fluorogammabutyrolactone, and combinations thereof.
チタン酸リチウムは、式:
Li4Ti5O12-x
のチタン酸リチウムを含み得、式中、xは0より大きく12未満である。xの値は、0より大きく、0.02未満であり得る。チタン酸リチウム中のチタンの平均価数は4未満であり得る。
Lithium titanate has the formula:
Li 4 Ti 5 O 12-x
In which x is greater than 0 and less than 12. The value of x can be greater than 0 and less than 0.02. The average valence of titanium in the lithium titanate can be less than 4.
負極は、以下の式:Li4Ti5O12を有する第1のチタン酸リチウム、およびこの第1のチタン酸リチウムとは異なる第2のチタン酸リチウムを含み得る。第2のチタン酸リチウムは式:Li4Ti5O12-xのものであり得、式中、xは0より大きく12未満である。負極の第2のチタン酸リチウムの量は、負極の第1のチタン酸リチウムの量より多くて差し支えない。負極は、第1と第2のチタン酸リチウムの総量に基づいて、第1のチタン酸リチウムよりも、少なくとも10質量%多い第2のチタン酸リチウム(Li4Ti5O12-x)を含んで差し支えない。言い換えれば、第1と第2のチタン酸リチウムの総量に基づく第2のチタン酸リチウム(Li4Ti5O12-x)の割合は、少なくとも55質量%、または少なくとも65質量%、または少なくとも75質量%であり得る。 The negative electrode can include a first lithium titanate having the following formula: Li 4 Ti 5 O 12 and a second lithium titanate different from the first lithium titanate. The second lithium titanate can be of the formula: Li 4 Ti 5 O 12-x where x is greater than 0 and less than 12. The amount of the second lithium titanate in the negative electrode can be greater than the amount of the first lithium titanate in the negative electrode. The negative electrode contains at least 10% by mass of second lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12-x ) greater than the first lithium titanate based on the total amount of the first and second lithium titanates. It does not matter. In other words, the proportion of the second lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12-x ) based on the total amount of the first and second lithium titanates is at least 55% by weight, or at least 65% by weight, or at least 75%. It can be mass%.
リチウム電池はガス吸収剤も含み得る。ガス吸収剤は、ZnO、NaAlO2、ケイ素、およびそれらの組合せからなる群より選択され得る。負極が前記ガス吸収剤を含み得る。リチウム電池はセパレータも含み得、ガス吸収剤はセパレータにより保持される。 The lithium battery may also include a gas absorbent. Gas absorbent, ZnO, NaAlO 2, may be selected from the group consisting of silicon, and combinations thereof. A negative electrode may contain the gas absorbent. The lithium battery can also include a separator, and the gas absorbent is retained by the separator.
本発明の他の利点は容易に認識され、その利点は、添付図面と共に考えたときに、以下に詳細な説明を参照することによって、よりよく理解されるであろう。
本発明のチタン酸リチウムは、リチウム系電池において有用である。本発明のチタン酸リチウムを含むリチウム系電池は、多くの用途に使用されるが、ハイブリッド車や電気自動車10などの車両10の充電式バッテリーにおいて特に有用である。しかしながら、このリチウム系電池を充電式ではないバッテリーに使用してもよいことを認識すべきである。充電式バッテリーは、車両10の電気モータの電源である。リチウム系電池は、リチウムイオン電池としても知られているであろう。その上、リチウムイオン電池は二次電池とも称され、その逆も同様である。多くの場合、リチウムイオン電池は、以下にさらに説明するように、リチウムイオンが正極と負極の間で動くので、特に、ロッキングチェア型電池と称される。
The lithium titanate of the present invention is useful in lithium batteries. The lithium-based battery containing the lithium titanate of the present invention is used for many applications, but is particularly useful in a rechargeable battery of a
リチウム系電池は、電解質、アノードおよびカソードを含む。アノードとカソードの記載は、本発明の記載において、電極の記載と相互に交換可能であることを認識すべきである。リチウム系電池の電解質は、概して、有機電解質および/または非水性リチウムイオン伝導性電解質であり、当該技術分野において公知である。適切な電解質は、本発明の目的に関して、以下にさらに詳しく説明されている。概して、アノードとカソードの少なくとも一方は、本発明のチタン酸リチウムを含む。例えば、リチウム系電池は、リチウム電池としてさらに定義されてもよく、ここで、カソードは本発明のチタン酸リチウムを含む。チタン酸リチウムは、典型的に、カソードの総質量に基づいて、少なくとも80質量部の量、より典型的に80から90質量部の量、最も典型的に約82質量部の量でカソード中に存在する。リチウム電池のカソードは、チタン酸リチウムに加え、典型的に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの結合剤と共に、カーボンブラックなどの導電剤も含み、これらは、カソードの残りを構成し得る。より詳しくは、カーボンブラックは、典型的に、カソードの総質量に基づいて、8から10質量部、より典型的に約8質量部の量で存在し、結合剤は、典型的に、カソードの総質量に基づいて、8から12質量部、より典型的に約10質量部の量で存在する。リチウム電池のアノードは、典型的に、リチウム金属、もしくはマグネシウムまたはアルミニウムとのリチウム合金である。 Lithium-based batteries include an electrolyte, an anode, and a cathode. It should be recognized that the descriptions of the anode and cathode are interchangeable with the descriptions of the electrodes in the description of the invention. Lithium-based battery electrolytes are generally organic electrolytes and / or non-aqueous lithium ion conducting electrolytes and are known in the art. Suitable electrolytes are described in further detail below for the purposes of the present invention. In general, at least one of the anode and cathode comprises the lithium titanate of the present invention. For example, a lithium-based battery may be further defined as a lithium battery, where the cathode comprises the lithium titanate of the present invention. The lithium titanate is typically present in the cathode in an amount of at least 80 parts by weight, more typically 80 to 90 parts by weight, and most typically about 82 parts by weight, based on the total weight of the cathode. Exists. In addition to lithium titanate, the cathode of a lithium battery typically includes a conductive agent such as carbon black, along with a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF), which can constitute the remainder of the cathode. More particularly, the carbon black is typically present in an amount of 8 to 10 parts by weight, more typically about 8 parts by weight, based on the total weight of the cathode, and the binder is typically present in the cathode. It is present in an amount of 8 to 12 parts by weight, more typically about 10 parts by weight, based on the total weight. The anode of a lithium battery is typically lithium metal or a lithium alloy with magnesium or aluminum.
あるいは、リチウム系電池またはバッテリーは、さらに、リチウムイオン電池およびリチウムポリマー電池の一方として定義されてもよく、ここで、アノードは、本発明のチタン酸リチウムを上述した量で含む。 Alternatively, a lithium-based battery or battery may be further defined as one of a lithium ion battery and a lithium polymer battery, wherein the anode comprises the lithium titanate of the present invention in the amounts described above.
電池は、以下に限られないが、ハイブリッド車または電気自動車10を含む用途の充電式バッテリーに使用される場合、典型的に、図1および2に14で表される、バッテリーパックに使用される。バッテリーパック14は、典型的に、相互に接続され、かつ重複する関係で各列に沿って延在する4列の電池を含む。各列は、典型的に、5層(stack)の電池を含む。しかしながら、バッテリーパック14内に他の構成の電池を使用してもよいことを認識すべきである。他の構成のバッテリーおよび電池をさらに説明する。
When used in rechargeable batteries for applications including, but not limited to, hybrid vehicles or
当該技術分野で公知のように、充電式バッテリーは、典型的に、車両10に動力を供給するのに十分なエネルギーを提供するために、回路で接続された複数のバッテリーパック14を含む。図1および2に示されるように、回路は、回路16に設置されたスイッチ18およびバッテリー管理システム20で構成されている。バッテリー管理システム20は、バッテリーパック14内の電池からのエネルギー使用とその充電を管理するためのスイッチ管理・インターフェース回路22を含む。
As is known in the art, a rechargeable battery typically includes a plurality of battery packs 14 connected in circuit to provide sufficient energy to power the
本発明のチタン酸リチウムは、以下の式:
Li4Ti5O12-x
を有し、式中、xは、0より大きく12未満である。典型的に、0<x<0.02である。言い換えれば、本発明のチタン酸リチウムは酸素が欠乏しており、これは、酸素が欠乏していない上記式のチタン酸リチウム、例えば、Li4Ti5O12と比べて、優れた電子伝導率を有する。これと同時に、本発明のチタン酸リチウム中のリチウムの濃度は、酸素が欠乏していないチタン酸リチウムについての濃度と同じままである。その結果、本発明のチタン酸リチウムの予測される可逆的な電力発電容量は、化学量論的量の酸素を含むチタン酸リチウムの可逆的な電力発電容量と同じままである。
The lithium titanate of the present invention has the following formula:
Li 4 Ti 5 O 12-x
Where x is greater than 0 and less than 12. Typically, 0 <x <0.02. In other words, the lithium titanate of the present invention is oxygen deficient, which is superior to the above-described lithium titanate of the above formula that is not oxygen deficient, such as Li 4 Ti 5 O 12. Have At the same time, the concentration of lithium in the lithium titanate of the present invention remains the same as that for lithium titanate that is not oxygen deficient. As a result, the predicted reversible power generation capacity of the lithium titanate of the present invention remains the same as the reversible power generation capacity of lithium titanate containing a stoichiometric amount of oxygen.
酸素欠乏の結果としての電子伝導率への影響は、酸化状態、すなわち、チタン酸リチウム中のチタンの価数の変化によるものである。より詳しくは、+3の酸化状態でチタン原子を含むチタン酸リチウムは、金属様材料の特徴である高い電子伝導率を示すのに対し、+4の酸化状態でチタン原子を含むチタン酸リチウムは、誘電材料の特徴である低い電子伝導率を示す。図3を参照すると、様々なチタン酸リチウムの酸化状態が、v(Ti)、すなわち、チタンの価数として縦軸に示されている。したがって、図3は、挿入の様々な状態で、様々なチタン酸リチウムの相対的な電子伝導率を示しており、より高いv(Ti)はより低い電子伝導率に相関する。Li4Ti5O12は、+4の酸化状態でチタン原子を有するチタン酸リチウムの一例である。 The effect on electronic conductivity as a result of oxygen deficiency is due to the change in oxidation state, ie, the valence of titanium in lithium titanate. More specifically, lithium titanate containing titanium atoms in the +3 oxidation state exhibits high electronic conductivity, which is characteristic of metal-like materials, whereas lithium titanate containing titanium atoms in the +4 oxidation state is dielectric. It exhibits low electronic conductivity, which is a characteristic of the material. Referring to FIG. 3, the various lithium titanate oxidation states are shown on the vertical axis as v (Ti), ie, the valence of titanium. Thus, FIG. 3 shows the relative electronic conductivity of various lithium titanates at various states of insertion, with higher v (Ti) correlating with lower electronic conductivity. Li 4 Ti 5 O 12 is an example of lithium titanate having titanium atoms in the +4 oxidation state.
従来のLi4Ti5O12の電気化学的挿入中または充電中、スピネルから「岩塩」型への相の移行が生じ、ここで、3つのリチウム原子が従来のLi4Ti5O12に挿入されて、Li7Ti5O12を生成する。Li7Ti5O12は、図3に示され、以下の式:
Li4Ti5O12+zLi++ze-→(1-z/3)Li4Ti4+ 5O12+z/3Li7Ti4+ 2Ti3+ 3O12
(式中、zは、Li4Ti5O12に挿入されたリチウム原子の数を表す)
により表されるように、挿入中の+4の酸化状態から+3の酸化状態への従来のLi4Ti5O12中のチタン原子の変換のために、従来のLi4Ti5O12よりも高い電子伝導率を有する。したがって、従来のLi4Ti5O12は挿入の状態に基づいて様々な電子伝導率を示し、従来のLi4Ti5O12とLi7Ti5O12との間の電子伝導率の異なる差のために、高い電子伝導率が挿入中と放電中に存在するであろう。従来のLi4Ti5O12の乏しい電子伝導率は、低電流並びに完全な充電の阻止によって、電池の最初の「訓練(training)」を生じる。これらの環境のために、ハイレート用途に従来のLi4Ti5O12を使用する機会が極めて制限される。
During electrochemical insertion or charging of conventional Li 4 Ti 5 O 12 , a phase transition from spinel to “rock salt” type occurs, where three lithium atoms are inserted into the conventional Li 4 Ti 5 O 12 As a result, Li 7 Ti 5 O 12 is produced. Li 7 Ti 5 O 12 is shown in FIG. 3 and has the following formula:
Li 4 Ti 5 O 12 + zLi + + ze − → (1-z / 3) Li 4 Ti 4+ 5 O 12 + z / 3Li 7 Ti 4+ 2 Ti 3+ 3 O 12
(In the formula, z represents the number of lithium atoms inserted in Li 4 Ti 5 O 12 )
As represented by, for conversion of a conventional Li 4 Ti 5 titanium atom in O 12 from +4 oxidation state during insertion into the oxidation state of +3, higher than the conventional Li 4 Ti 5 O 12 Has electronic conductivity. Therefore, the conventional Li 4 Ti 5 O 12 exhibits various electronic conductivity based on the state of insertion, and the difference in the electronic conductivity between the conventional Li 4 Ti 5 O 12 and Li 7 Ti 5 O 12 is different. Because of this, high electronic conductivity will exist during insertion and discharge. The poor electronic conductivity of conventional Li 4 Ti 5 O 12 results in the initial “training” of the battery, due to the low current as well as the prevention of full charge. These environments severely limit the opportunity to use conventional Li 4 Ti 5 O 12 for high rate applications.
本発明によれば、意外なことに、以下の関係が存在することが分かった:
Li4Ti5O12+δH2→Li4Ti4+ 5-2Ti3+ 2O12-δ+δH2O↑
Surprisingly, according to the present invention, it has been found that the following relationship exists:
Li 4 Ti 5 O 12 + δH 2 → Li 4 Ti 4+ 5-2 Ti 3+ 2 O 12-δ + δH 2 O ↑
実質的に、Li4Ti5O12-xを形成するLi4Ti5O12の還元により、チタン酸リチウム中に同じ数のリチウム原子とチタン原子を維持しながら、電荷補償の結果として、Li4Ti5O12中のチタン原子の+4の酸化状態から+3の酸化状態への変換がもたらされる。言い換えれば、本発明のチタン酸リチウム中のチタンの平均価数は4未満である。上述した発見の実際的結果は、チタン酸リチウムが、充電前に誘電材料の電子伝導率に近い電子伝導率を示す従来のLi4Ti5O12とは対照的に、充電プロセスと放電プロセスの全ての段階で電子伝導率においてそれほど劇的な変化は示さず、よって、Li4Ti5O12-xおよびLi7Ti5O12-xの異なる区域が、従来のLi4Ti5O12と比べて、充電プロセスと放電プロセスのより均一な媒体を示し、このことは、ハイレート用途に都合よいことである。 As a result of charge compensation, substantially reducing the Li 4 Ti 5 O 12 to form Li 4 Ti 5 O 12-x while maintaining the same number of lithium and titanium atoms in the lithium titanate. A conversion of the titanium atom in 4 Ti 5 O 12 from the +4 oxidation state to the +3 oxidation state results. In other words, the average valence of titanium in the lithium titanate of the present invention is less than 4. The practical result of the above-described discovery is that lithium and titanate, in contrast to conventional Li 4 Ti 5 O 12 , which exhibits an electronic conductivity close to that of the dielectric material before charging, It does not show a very dramatic change in electronic conductivity at all stages, so different areas of Li 4 Ti 5 O 12-x and Li 7 Ti 5 O 12-x are different from conventional Li 4 Ti 5 O 12 In comparison, it represents a more uniform medium for charging and discharging processes, which is advantageous for high rate applications.
同じ数の電気化学的に活性なリチウム原子とチタン原子が、Li4Ti5O12に存在するように存在するので、予測される電力発電容量は、Li4Ti5O12-xに関するものは、Li4Ti5O12に関するものと同じである。Li4Ti5O12-xも、優れたサイクル特性を有するLi4Ti5O12と同じスピネル構造を維持する。上述したように、典型的に、Li4Ti5O12と同じスピネル構造を有するチタン酸リチウムを維持するために、0<x<0.02である。より詳しくは、図3を参照すると、本発明のチタン酸リチウムは、酸素欠乏を有するために、Li4Ti5O12-xを、Li4Ti5O12中のチタン原子の+4の酸化状態から+3の酸化状態への変換のために、図3において「A」により表される位置にシフトさせ、「B」により表される位置は、Li4Ti5O12-xの挿入状態を表す。xの値は、Li4Ti5O12と同じスピネル構造を維持するために、制限される。何故ならば、+3の酸化状態にあるチタンの量が多すぎると、Li2Ti3O7の構造を有するチタン酸リチウムが形成されるからである。Li2Ti3O7は、空間群Pbnm(62)を持つ斜方晶系結晶構造を有する。Li2Ti3O7は特定の用途には適しているかもしれないが、Li4Ti5O12のスピネル構造は、Li2Ti3O7に挿入できるよりもその構造中により多くのリチウムを挿入できる能力のため、またLi4Ti5O12は挿入された状態とされていない状態との間で3.2595Åから8.3538Åまでの小さい容積変化を示し、これは優れたサイクル特性を与えるという事実のために、好ましい。 Since the same number of electrochemically active lithium and titanium atoms are present in Li 4 Ti 5 O 12 , the predicted power generation capacity is that for Li 4 Ti 5 O 12-x The same as for Li 4 Ti 5 O 12 . Li 4 Ti 5 O 12-x also maintains the same spinel structure as Li 4 Ti 5 O 12 with excellent cycle characteristics. As described above, typically 0 <x <0.02 in order to maintain lithium titanate having the same spinel structure as Li 4 Ti 5 O 12 . More specifically, referring to FIG. 3, since the lithium titanate of the present invention has an oxygen deficiency, Li 4 Ti 5 O 12-x is converted into an oxidation state of +4 of a titanium atom in Li 4 Ti 5 O 12. 3 is shifted to the position represented by “A” in FIG. 3, and the position represented by “B” represents the insertion state of Li 4 Ti 5 O 12-x. . The value of x is limited in order to maintain the same spinel structure as Li 4 Ti 5 O 12 . This is because if the amount of titanium in the +3 oxidation state is too large, lithium titanate having the structure Li 2 Ti 3 O 7 is formed. Li 2 Ti 3 O 7 has an orthorhombic crystal structure with a space group Pbnm (62). Li 2 Ti 3 O 7 may be suitable for certain applications, but the spinel structure of Li 4 Ti 5 O 12 contains more lithium in its structure than can be inserted into Li 2 Ti 3 O 7. Due to its ability to be inserted, and Li 4 Ti 5 O 12 shows a small volume change from 3.2595 Å to 8.5538 Å between the inserted and uninserted states, which gives excellent cycling characteristics Because of the fact that
Li4Ti5O12-xを形成する方法は、二酸化チタンとリチウム系成分との混合物を提供する工程を含む。例示の混合物は、二酸化チタン、リチウム系成分、および任意の追加の成分(例えば、結合剤およびガス吸収剤)の粉末混合物または微粒子混合物を含み得る。二酸化チタンは、ルチルの形態とアナターゼの形態の両方で、並びに二酸化チタン−水酸化物の任意の形態(Ti(OH)2xO2-xなど)で使用することができる。Li4Ti5O12を形成するために典型的に使用されるどのようなリチウム系成分を使用してもよい。典型的に、リチウム系成分は、炭酸リチウム、水酸化リチウム、酸化リチウム、およびそれらの組合せからなる群より選択され、このリチウム系成分は典型的に少なくとも99%純粋である。リチウム塩またはリチウム有機酸を使用しても差し支えない。典型的に、リチウム系成分および酸化チタンは、本発明の最終的なチタン酸リチウム中で原子比Li/Ti=0.8を確実にするために必要な量で混合物中に存在する。 The method of forming Li 4 Ti 5 O 12-x includes providing a mixture of titanium dioxide and a lithium-based component. Exemplary mixtures can include a powder or particulate mixture of titanium dioxide, a lithium-based component, and any additional components (eg, binders and gas absorbers). Titanium dioxide can be used in both rutile and anatase forms, as well as any form of titanium dioxide-hydroxide (such as Ti (OH) 2x O 2-x ). Any lithium-based component typically used to form Li 4 Ti 5 O 12 may be used. Typically, the lithium-based component is selected from the group consisting of lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium oxide, and combinations thereof, and this lithium-based component is typically at least 99% pure. Lithium salts or lithium organic acids can be used. Typically, the lithium-based component and titanium oxide are present in the mixture in the amounts necessary to ensure the atomic ratio Li / Ti = 0.8 in the final lithium titanate of the present invention.
二酸化チタンおよびリチウム系成分を含む混合物は、チタン酸リチウムを形成するための還元剤を含むガス状雰囲気中で焼結される。より詳しくは、この混合物は、少なくとも30分間、より典型的には約60分から約180分の期間に亘り、少なくとも450℃、より典型的には約500から925℃、最も典型的には約700から約920℃の温度で焼結される。 A mixture containing titanium dioxide and a lithium-based component is sintered in a gaseous atmosphere containing a reducing agent to form lithium titanate. More particularly, the mixture is at least 450 ° C., more typically from about 500 to 925 ° C., most typically about 700 minutes, over a period of at least 30 minutes, more typically from about 60 to about 180 minutes. To about 920 ° C.
この還元剤は、Li4Ti5O12中の酸素を還元することのできる任意の作用物質であってよく、典型的に、水素、炭化水素、一酸化炭素およびそれらの組合せの群より選択される。還元剤は、Li4Ti5O12-xを形成するためにLi4Ti5O12を十分に還元するために、典型的に少なくとも0.1体積%、より典型的に約1から約100体積%の濃度でガス状雰囲気中に存在する。 This reducing agent may be any agent capable of reducing oxygen in Li 4 Ti 5 O 12 and is typically selected from the group of hydrogen, hydrocarbons, carbon monoxide and combinations thereof. The The reducing agent is typically at least 0.1% by volume, more typically about 1 to about 100, in order to sufficiently reduce Li 4 Ti 5 O 12 to form Li 4 Ti 5 O 12-x. Present in a gaseous atmosphere at a concentration of volume percent.
ガス状雰囲気は典型的に、還元剤に加えて、イナートガス(inert gas)、不活性ガス(inactive gas)、およびその組合せの群から選択される別のガスを含む。焼結中に望ましくない副反応を防ぐため、かつLi4Ti5O12-x中への不純物の導入を防ぐために、希ガスなどの任意のイナートガスを使用してもよい。使用してよい不活性ガスは、例えば、純粋な窒素である。 The gaseous atmosphere typically includes, in addition to the reducing agent, another gas selected from the group of inert gas, inert gas, and combinations thereof. Any inert gas, such as a noble gas, may be used to prevent unwanted side reactions during sintering and to prevent introduction of impurities into the Li 4 Ti 5 O 12-x . An inert gas that may be used is, for example, pure nitrogen.
本発明の他の実施の形態をここで説明する。詳しくは、本発明の方法によって、他のタイプのリチウム電池(またはリチウムイオン電池)およびリチウムバッテリー(またはリチウムイオンバッテリー)も提供される。典型的に、上述したように、リチウム電池またはバッテリーは、正極(すなわち、アノード)と負極(すなわち、カソード)を含む。一般に、正極と負極は、先に記載され、例示されたものなどの、リチウムまたはリチウムイオンを吸蔵できる材料を含む。 Another embodiment of the invention will now be described. In particular, other types of lithium batteries (or lithium ion batteries) and lithium batteries (or lithium ion batteries) are also provided by the method of the present invention. Typically, as described above, a lithium battery or battery includes a positive electrode (ie, anode) and a negative electrode (ie, cathode). In general, the positive and negative electrodes include materials that can occlude lithium or lithium ions, such as those previously described and exemplified.
図4および5に示されるように、1つの実施の形態において、負極112は、リチウム種、例えば、リチウム遷移金属酸化物を可逆的に吸蔵できる活性材料、金属集電材料113、例えば、銅箔、接着剤(または結合剤)、例えば、PVDF、スチレンブタジエンゴム(SBR)等、および必要に応じて、カーボンブラックなどの導電剤/導電助剤を含む板である。
As shown in FIGS. 4 and 5, in one embodiment, the
1つの実施の形態において、正極116は、リチウム種を吸蔵できる活性材料、金属集電材料117、接着剤、および必要に応じて導電助剤を含む板である。正極116の活性材料は、負極112の活性材料と同じであっても、異なっていてもよい。さらに、正極116の金属集電材料117は、負極112の金属集電材料113と同じであっても異なっていてもよい。さらにまた、正極116の接着剤は、負極112の接着剤と同じであっても異なっていてもよい。正極116の導電助剤は、使用される場合、負極112の導電助剤と同じであっても異なっていてもよい。
In one embodiment, the
適切なリチウム遷移金属酸化物の例としては、本発明の目的について、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiFePO4、およびそれらの組合せが挙げられる。当業者により理解されるように、必要に応じて、遷移金属部位をドープするために、チタン、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、マンガン、およびそれらの組合せを使用してもよい。正極および/または負極は、巻き型/巻き構造および/または積層型/積層構造などの、板形状以外の当該技術分野に公知の他の形状であってもよい。 Examples of suitable lithium transition metal oxides include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFePO 4 , and combinations thereof for the purposes of the present invention. As will be appreciated by those skilled in the art, if desired, titanium, aluminum, magnesium, nickel, manganese, and combinations thereof may be used to dope transition metal sites. The positive electrode and / or the negative electrode may have other shapes known in the art other than the plate shape, such as a wound / wound structure and / or a laminated / laminated structure.
リチウム電池またはバッテリー100は、上述したように、電解質118も含む。典型的に、電解質118は、非水性溶媒中に溶解したリチウム塩を含んで差し支えない。非水性溶媒は、完全な液体、完全な固体、または完全な液体と完全な固体の間のゲル形態にあるものを含み得る。適切な液体電解質としては、以下に限られないが、炭酸アルキル、例えば、炭酸プロピレンおよび炭酸エチレン、炭酸ジアルキル、環式エーテル、環式エステル、グリム、ラクトン、ホルメート、エステル、スルホン、ニトレート、オキサゾラジオン(oxazoladione)、およびそれらの組合せが挙げられる。固体電解質として使用される適切なポリマーとしては、以下に限られないが、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリメチレン−ポリエチレンオキシド(MPEO)、PVDF、ポリホスファゼン(PPE)、およびそれらの組合せが挙げられる。適切なリチウム塩としては、以下に限られないが、LiPF6、LiClO4、LiSCN、LiAlCl4、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiO3SCF2CF3、LiC6F5SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、およびそれらの組合せが挙げられる。電解質118は、当業者に理解されるように、先に記載され、例示された成分の様々な組合せを含んでもよいことを認識すべきである。
The lithium battery or
液体タイプおよび/またはゲルタイプの電解質を使用する場合、セパレータ124は、典型的に、正極116と負極112の間に配置され、電解質118は、電池100内の短絡を防ぐようにセパレータ124により保持される。セパレータ124は、当該技術分野に公知のどのタイプのセパレータ、例えば、多孔質の高分子セパレータであってもよい。1つの実施の形態において、リチウムイオンバッテリーは、負極板と正極板および巻き型構造と積層構造との間に配置されたセパレータを有する。電解質はそれらの間に注ぎ入れられ、バッテリーは、金属製ケースまたは金属製積層ケース111内に配置され、密封される。
When using liquid and / or gel type electrolytes, the
上述したように、銅箔は、一般に、負極板112の集電材料113として使用される。一般に、負極板を調製するために、スラリーが銅箔上に塗布され、乾燥され、加圧される。このスラリーは、活性材料、接着剤、および必要に応じて、導電助剤を含む。上述した集電装置は、以下に限られないが、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、アルミニウム、および銅を含む、他の金属および/または合金から製造しても差し支えないことを認識すべきであり、銅が一般に上述したように好ましい。その上、集電装置113は、板、小片、箔、メッシュ、ネット、発泡金属板などの様々な形態に製造できる。
As described above, the copper foil is generally used as the
典型的に、先に説明し、例示した本発明のチタン酸リチウム、すなわち、Li4Ti5O12-xは、負極の活性材料として使用される。上述したように(または暗示したように)、チタン酸リチウムは、充電に伴う容積変化が小さいために、優れたサイクル特性を有する。最新のリチウム電池およびバッテリーにおいて、例えば、電池またはバッテリーの負極として使用される、グラファイトの表面に、一般に、電解質の還元分解により膜が形成される。そのような膜は、電解質がさらに分解されるのを阻害する。しかしながら、チタン酸リチウムは、一般に、グラファイトの表面を覆って形成されるそのような膜を持たないと考えられる。したがって、チタン酸リチウムの表面電位が1.2V(Li+Liに対して)未満に降下した場合、多量の電解質が、還元分解生成物を含み、サイクル特性に悪影響を与えるガスを発生させると考えられる。チタン酸リチウムの表面電位が1.2V未満に降下した場合、結合剤が還元され得ることも考えられる。これらの潜在的な課題のいくつかを緩和するために、典型的に、負極は、チタン酸リチウムを使用する場合、正極と同じ以上の容量を有する必要がある。 Typically, the lithium titanate of the present invention described and exemplified above, ie Li 4 Ti 5 O 12-x, is used as the active material for the negative electrode. As described above (or implied), lithium titanate has excellent cycle characteristics due to the small volume change associated with charging. In modern lithium batteries and batteries, for example, a film is generally formed on the surface of graphite, which is used as the negative electrode of the battery or battery, by reductive decomposition of the electrolyte. Such a membrane inhibits the electrolyte from further degradation. However, lithium titanate is generally considered not to have such a film formed over the surface of graphite. Therefore, when the surface potential of lithium titanate drops below 1.2 V (relative to Li + Li), it is considered that a large amount of electrolyte generates gas that includes reductive decomposition products and adversely affects cycle characteristics. It is also conceivable that the binder can be reduced when the surface potential of lithium titanate drops below 1.2V. To alleviate some of these potential challenges, the negative electrode typically needs to have the same or higher capacity as the positive electrode when using lithium titanate.
本発明は、ここに記載されたものなどのリチウム電池に使用するのに適した活性材料も提供する。その活性材料は、表面を有するチタン酸リチウム、およびこのチタン酸リチウムの表面上に配置された材料を含む。この材料は、一般に、活性材料が電解質の存在下にある間、0Vから4Vのリチウムに対する電位の範囲内で、電解質に対して非反応性である。チタン酸リチウムは、上述され、例示されたもの、すなわち、Li4Ti5O12-xである。典型的に、その材料は、一度形成されたら、電解質がその材料の表面で分解するのを防ぐ。その材料は、表膜膜または膜と称することもできる。 The present invention also provides active materials suitable for use in lithium batteries such as those described herein. The active material includes a lithium titanate having a surface and a material disposed on the surface of the lithium titanate. This material is generally non-reactive to the electrolyte within the range of potentials from 0V to 4V lithium while the active material is in the presence of the electrolyte. Lithium titanate is the one described and exemplified above, namely Li 4 Ti 5 O 12-x . Typically, once the material is formed, it prevents the electrolyte from degrading at the surface of the material. The material can also be referred to as a surface membrane or membrane.
負極112上にコーティング114を有するバッテリー100を製造する方法も開示されている。図4および図5は、それぞれ、製造プロセスの前と後のバッテリー100を示している。
A method of manufacturing a
前記方法は、負極112、正極116、およびこれらの負極112と正極116に接触し、それらの間にある電解質118を含むリチウム電池100を提供する工程を含み得る。負極112はチタン酸リチウムを含み得、正極116はチタン酸リチウムを含み得、または負極112と正極116の両方ともチタン酸リチウムを含み得る。電解質118は添加剤を含み得る。
The method can include providing a
前記方法は、前記添加剤を還元することによって、電解質118と接触した負極112の界面120にコーティング114を形成する工程も含み得る。リチウム電池100はある動作電圧範囲を有し得、前記形成工程は、負極112の電圧を動作電圧範囲の下限より低く降下させながら、リチウム電池を動作電圧範囲の上限より高い電圧まで過充電する工程を含み得る。例えば、負極112の電圧は、リチウムに対して0.2〜1Vの範囲、またはリチウムに対して0.5〜0.9Vの範囲に降下し得る。
The method may also include forming a
動作電圧範囲の上限は、2.8V、または3.2V、または3.5Vであり得る。動作範囲の下限は、1V、または1.2V、または1.3Vであり得る。ここに用いたように、動作電圧範囲は、リチウム電池が、エンドユーザによる標準的な使用中に動作するように設計された電圧の範囲である。 The upper limit of the operating voltage range can be 2.8V, or 3.2V, or 3.5V. The lower limit of the operating range can be 1V, or 1.2V, or 1.3V. As used herein, the operating voltage range is the range of voltages designed to operate a lithium battery during standard use by the end user.
形成工程の期間は、負極112の界面120に連続コーティング114を生じるのに十分であり得る。このコーティング114は、電解質118中の添加剤の還元生成物を含み得る。動作電圧範囲の下限は1.3V以上であり得る。電解質118は、1.5Vから3.0Vのリチウムに対する電位で分解し得、連続コーティング114は、0から4Vに及ぶ電圧で電解質118の分解を防ぎ得る。
The duration of the formation process may be sufficient to produce a
前記添加剤は、ホウ素、リン、硫黄、フッ素、炭素、ホウ素、およびそれらの組合せからなる群より選択される元素成分を含み得る。この添加剤は、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド(Li(CF3SO2)2N)、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4)、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム(LiSbF6)、リチウムテトラフルオロ(オキサレート)ホスフェート(LiFOP)、リチウムジフルオロ(オキサレート)ボレート(LiFOB)、ホスフェゼン、CO2、リン酸エステル、ホウ酸エステル、および水からなる群より選択される添加剤であり得る。添加剤は、リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)、ホスファゼン、または両方の混合物であり得る。 The additive may include an elemental component selected from the group consisting of boron, phosphorus, sulfur, fluorine, carbon, boron, and combinations thereof. This additive includes lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bisoxalate borate (LiBOB), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF) 3 SO 3 ), lithium bis (trifluoromethanesulfone) imide (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ), lithium hexafluoroantimonate (LiSbF 6), lithium tetrafluoro (oxalato) phosphate (LiFOP), lithium difluoro (oxalato) borate (LiFOB), Hosufezen, CO 2, phosphate esters, borate esters, and from the group consisting of water It may be additive-option. The additive can be lithium bisoxalate borate (LiBOB), phosphazene, or a mixture of both.
添加剤は、少なくとも1種類のキレートホウ酸塩を含み得る。添加剤は、カーボネート、炭酸クロロエチレン、炭酸ビニレン、炭酸ビニルエチレン、サルファイト、亜硫酸エチレン、プロパンスルホン、亜硫酸プロピレン、ブチロラクトン、フェニルエチレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、カテコールカーボネート、酢酸ビニル、炭酸ビニルエチレン、亜硫酸ジメチル、炭酸フルオロエチレン、炭酸トリフルオロプロピレン、ブロモガンマブチロラクトン、フルオロガンマブチロラクトン、およびそれらの組合せからなる群より選択される添加剤を含み得る。1種類以上の添加剤が電解質118中に存在し得る。 The additive may include at least one chelate borate. Additives: carbonate, chloroethylene carbonate, vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, sulfite, ethylene sulfite, propane sulfone, propylene sulfite, butyrolactone, phenyl ethylene carbonate, phenyl vinylene carbonate, catechol carbonate, vinyl acetate, vinyl ethylene carbonate, sulfurous acid An additive selected from the group consisting of dimethyl, fluoroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, bromogamma butyrolactone, fluorogamma butyrolactone, and combinations thereof may be included. One or more additives may be present in the electrolyte 118.
チタン酸リチウムは、式:
Li4Ti5O12-x
のチタン酸リチウムを含み得、式中、xは0より大きく12未満である。xの値は、0より大きく、0.02未満であり得る。チタン酸リチウム中のチタンの平均価数は4未満であり得る。
Lithium titanate has the formula:
Li 4 Ti 5 O 12-x
In which x is greater than 0 and less than 12. The value of x can be greater than 0 and less than 0.02. The average valence of titanium in the lithium titanate can be less than 4.
負極112は、以下の式:Li4Ti5O12を有する第1のチタン酸リチウム、およびこの第1のチタン酸リチウムとは異なる第2のチタン酸リチウムを含み得る。第2のチタン酸リチウムは式:Li4Ti5O12-xのものであり得、式中、xは0より大きく12未満である。負極112の第2のチタン酸リチウムの量は、負極の第1のチタン酸リチウムの量より多くて差し支えない。負極112は、第1と第2のチタン酸リチウムの総量に基づいて、第1のチタン酸リチウムよりも、少なくとも10質量%多い第2のチタン酸リチウムを含んで差し支えない。
The
リチウム電池100はガス吸収剤122も含み得る。ガス吸収剤122は、ZnO、NaAlO2、ケイ素、およびそれらの組合せからなる群より選択され得る。負極112が前記ガス吸収剤122を含み得る。ガス吸収剤122は、粉末または微粒子の形態であり得る。リチウム電池はセパレータ124も含み得、ガス吸収剤122はセパレータ124により保持される。
The
1つの実施の形態において、本発明のリチウム電池は、先に記載され、例示された、チタン酸リチウム、例えば、Li4Ti5O12-xを各々が含む電極を少なくとも2つ備えている。このリチウム電池は、1.3V、すなわち、動作電圧範囲の下限より低く降下しない一般的な使用条件において電極電位を有する。別の実施の形態において、本発明のリチウム電池は、先に記載され、例示された、チタン酸リチウム、例えば、Li4Ti5O12-x、1.5Vから3.0Vのリチウムに対する電位で分解する電解質118、およびチタン酸リチウム上に配置された表面膜114を備えている。表面膜114は、先に記載したように、電解質118、電解質の添加剤、またはその両方の還元生成物として形成される。表面膜114は、電解質118と負極112との間の直接的な接触を防ぐことによって、電解質118のさらなる分解を防ぐ。1つの実施の形態において、電解質118は添加剤としてリチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)を含む。表面膜114が形成される限り、LiBOBに加えて、またはLiBOBの代わりに、他の適切な添加剤を使用してもよいことを認識すべきである。
In one embodiment, the lithium battery of the present invention comprises at least two electrodes, each containing lithium titanate, eg, Li 4 Ti 5 O 12-x, as described and exemplified above. This lithium battery has an electrode potential at typical operating conditions of 1.3 V, ie, not dropping below the lower limit of the operating voltage range. In another embodiment, the lithium battery of the present invention is at a potential relative to the lithium titanate, eg, Li 4 Ti 5 O 12-x , 1.5V to 3.0V lithium described and exemplified above. An electrolyte 118 to be decomposed and a
本発明は、先に記載され、例示されたような、チタン酸リチウム、例えば、Li4Ti5O12-xを含む電極を少なくとも1つ備えたリチウム電池も提供する。1つの実施の形態において、このリチウム電池は、先に記載され、例示された、チタン酸リチウム、例えば、Li4Ti5O12-xを各々が含む電極を少なくとも2つ備えている。いずれの実施の形態においても、リチウム電池は、非フッ素系結合剤、すなわち、その構成にフッ素を含まない結合剤をさらに含む。適切な非フッ素系結合剤は、本発明の目的に関して、以下に限られないが、フッ素を含まない、先に記載され、例示された結合剤、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)を含む。これらの実施の形態において、非フッ素系結合剤は、典型的に、先に記載され、例示された電極に使用される。 The present invention also provides a lithium battery comprising at least one electrode comprising lithium titanate, such as Li 4 Ti 5 O 12-x , as previously described and exemplified. In one embodiment, the lithium battery comprises at least two electrodes, each containing lithium titanate, eg, Li 4 Ti 5 O 12-x, as described and exemplified above. In any of the embodiments, the lithium battery further includes a non-fluorine-based binder, that is, a binder that does not contain fluorine in its configuration. Suitable non-fluorinated binders include, but are not limited to, the previously described and exemplified binders such as styrene butadiene rubber (SBR), which are not limited to the following for the purposes of the present invention. In these embodiments, non-fluorine binders are typically used in the electrodes described and exemplified above.
ある実施の形態において、その電極は、第1のチタン酸リチウムおよびこの第1のチタン酸リチウムとは異なる第2のチタン酸リチウムを含む。第1のチタン酸リチウムは、先に記載したように、式:Li4Ti5O12のものであり、第2のチタン酸リチウムは、先に記載され、例示されたような、本発明のもの、すなわち、Li4Ti5O12-xのものである。ある実施の形態において、第2のチタン酸リチウムは、電極の表面の少なくとも一部分上に配置され、より好ましくは、電極の表面の大部分の上に配置され、最も好ましくは、電極の表面全体に配置される。したがって、第2のチタン酸リチウムは、典型的に、第1のチタン酸リチウムの量よりも多い量で電極に存在する。例えば、ある実施の形態において、電極は、第1と第2のチタン酸リチウムの質量に基づいて、第1のチタン酸リチウムに対して少なくとも10質量%多く第2のチタン酸リチウムを含む。さらに、チタンの触媒作用が低減され得、結合剤と電解質の分解が、先に記載され、例示されたように、第2のチタン酸リチウム、すなわち、Li4Ti5O12-xを用いることによって、避けられる。さらにまた、充電に関して、第1のチタン酸リチウムの代わりに第2のチタン酸リチウムを使用することによって、負極の電位の大きすぎる降下が避けられる。 In some embodiments, the electrode includes a first lithium titanate and a second lithium titanate that is different from the first lithium titanate. The first lithium titanate is of the formula Li 4 Ti 5 O 12 as previously described, and the second lithium titanate is of the present invention as described and exemplified above. That is, Li 4 Ti 5 O 12-x . In certain embodiments, the second lithium titanate is disposed on at least a portion of the surface of the electrode, more preferably on a majority of the surface of the electrode, and most preferably on the entire surface of the electrode. Be placed. Accordingly, the second lithium titanate is typically present in the electrode in an amount that is greater than the amount of the first lithium titanate. For example, in certain embodiments, the electrode includes at least 10% by weight of the second lithium titanate relative to the first lithium titanate, based on the weight of the first and second lithium titanates. Furthermore, the catalytic action of titanium can be reduced, and the decomposition of the binder and electrolyte is using a second lithium titanate, ie Li 4 Ti 5 O 12-x , as previously described and illustrated. Can be avoided. Furthermore, with regard to charging, by using the second lithium titanate instead of the first lithium titanate, an excessively large drop in the negative electrode potential is avoided.
先に記載したようなある実施の形態において、フッ素型またはフッ素系結合剤、すなわち、その構成にフッ素を有する結合剤、例えば、PVDF、PTFEなどは、還元に対して特に弱いと考えられるので、非フッ素系結合剤が使用される。例えば、フッ素系結合剤が分解し、例えば、フッ化水素(HF)を生成する可能性がある。HFは、当該技術分野で理解されているように、高腐食性化合物であり得、中に存在すると、電池またはバッテリーにとって有害であることが知られている。フッ素系結合剤の使用などによって、そのようなガスが形成された場合、そのバッテリー内に、チタン酸リチウムにより分解されたガスを吸着する物質を含ませることによって、バッテリーの膨張を防ぐことができる。詳しくは、本発明は、先に記載され、例示されたようなチタン酸リチウム、例えば、Li4Ti5O12-x、およびガス吸収剤122を備えたリチウム電池をさらに提供する。適切なガス吸収剤122の例としては、本発明の目的に関して、以下に限られないが、ZnO、NaAlO2、ケイ素、およびそれらの組合せが挙げられる。ガス吸収剤122は、使用される場合、セパレータ124により保持することができる。概して、チタン酸リチウムおよびガス吸収剤122は混合されて、電極112,116を形成する。チタン酸リチウムおよびガス吸収剤122は、微粒子または粉末形態で混合することができる。上述したように、前記バッテリーは典型的にケースを備え、よって、ガス吸収剤は、使用された場合、セパレータ124に加え、ケース111によっても保持できる。
In certain embodiments as described above, fluorine-type or fluorine-based binders, i.e. binders having fluorine in their construction, such as PVDF, PTFE, etc., are considered particularly vulnerable to reduction, so Non-fluorinated binders are used. For example, the fluorine-based binder may be decomposed to generate, for example, hydrogen fluoride (HF). HF can be a highly corrosive compound, as understood in the art, and is known to be harmful to a battery or battery when present therein. When such a gas is formed by using a fluorine-based binder or the like, the battery can be prevented from expanding by including a substance that adsorbs the gas decomposed by lithium titanate in the battery. . Specifically, the present invention further provides a lithium battery comprising a lithium titanate, such as Li 4 Ti 5 O 12-x , and a
本発明は、先に記載され、例示されたものなどの、リチウム電池を複数備えた電池モジュール(またはパック)をさらに提供する。リチウム電池の各々は、軟質の外側パッケージを有し、環境中の含水量が制御される環境で組み立てられる。そのリチウム電池は、典型的に、先に記載され、例示された、チタン酸リチウム、すなわち、Li4Ti5O12-xを含む。1つの実施の形態において、電池モジュールは少なくとも10個のリチウム電池を備えている。リチウム電池は、典型的に、構造内に一緒に組み立てられており、先に記載され、例示されたもののように、互いに対して様々な構造で配列されてもよい。その環境は、電池、バッテリー、および/または電池モジュールの組立て中に低レベルの水分を適切に維持するために、典型的に、乾燥室である。 The present invention further provides a battery module (or pack) comprising a plurality of lithium batteries, such as those previously described and exemplified. Each of the lithium batteries has a soft outer package and is assembled in an environment where the moisture content in the environment is controlled. The lithium battery typically includes lithium titanate, ie, Li 4 Ti 5 O 12-x , described and exemplified above. In one embodiment, the battery module comprises at least 10 lithium batteries. Lithium batteries are typically assembled together in a structure and may be arranged in various structures relative to each other, such as those described and illustrated above. The environment is typically a drying room to properly maintain low levels of moisture during the assembly of the battery, battery, and / or battery module.
この電池モジュールは、一般に、リチウム電池を密閉し、電池モジュールおよび/またはリチウム電池に水が侵入するのを防ぐためのシールを有する。そのシールを形成するために、様々な方法を使用してよい。例えば、溶接、クランピング、および/またはヒートシールを使用してよい。一般に、溶接シール、例えば、溶接密閉が、電池モジュールにとって最良の密閉性能を提供する。金属ラミネートの軟質パッケージを密閉するために典型的に使用されるものなどの、ヒートシール方法は、一般に簡単なプロセスであるので、その方法を使用しても差し支えない。軟質の外側パッケージの適切な例としては、本発明の目的に関して、以下に限られないが、プラスチック、典型的にポリオレフィン、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどがラミネートされた金属が挙げられる。アルミニウムなどの適切な金属が、本発明の目的に関して、当該技術分野に公知である。様々な種類と厚さのプラスチックを使用することにより、軟質の外側パッケージに使用される金属量を減少させることができ、それによって、電池モジュールの質量とおそらくはコストを低減させることができる。ハイブリッド電気自動車(HEV)用途にとって、質量は特に重要な懸念である。 The battery module generally has a seal for sealing the lithium battery and preventing water from entering the battery module and / or the lithium battery. Various methods may be used to form the seal. For example, welding, clamping, and / or heat sealing may be used. In general, a weld seal, such as a weld seal, provides the best sealing performance for the battery module. Heat seal methods, such as those typically used to seal metal laminate soft packages, are generally simple processes and may be used. Suitable examples of flexible outer packages include, but are not limited to, plastics, typically metals laminated with polyolefins such as polypropylene, polyethylene, etc. for purposes of the present invention. Suitable metals such as aluminum are known in the art for the purposes of the present invention. By using various types and thicknesses of plastic, the amount of metal used in the soft outer package can be reduced, thereby reducing the mass and possibly cost of the battery module. Mass is a particularly important concern for hybrid electric vehicle (HEV) applications.
これらの実施の形態において、電池モジュールの使用中または動作可能な耐用年限中に、水がシールに侵入したり、シールを破壊したりしないことが重要である。当該技術分野に一般に理解されているように、水は、電池モジュールに様々な有害な影響を及ぼし得る。詳しくは、水は、電解質と反応し得、望ましくない反応生成物を生成し得る。例えば、電解質がフッ素系電解質、例えば、LiPF6を含む場合、水との反応により、HFが形成され得、これにより、先に記載され、説明されたような問題を生じる。フッ素系結合剤が使用された場合も、同じ反応が生じるであろう。当該技術分野に理解されるように、水が関与する他の副反応も生じ得る。例えば、リチウム金属は、水との接触により、失活し得る。これらの問題を緩和するために、非フッ素系の電解質と結合剤を一般に使用することができる。電池および電池モジュールを製造するために使用される成分中に非常に少なくなるように、水を制御することができ、例えば、水は、電解質中に存在する場合、最低に、例えば、ppmの量以下に維持することができる。電池モジュールの組立て前に、他の成分を乾燥させることができる。HEV用途にとって長期の信頼性が特に重要であるので、密閉性能および強度は重大である。 In these embodiments, it is important that water does not enter or break the seal during use of the battery module or during an operable lifetime. As is generally understood in the art, water can have various deleterious effects on battery modules. Specifically, water can react with the electrolyte and produce undesirable reaction products. For example, if the electrolyte includes a fluorinated electrolyte, such as LiPF 6 , HF can be formed by reaction with water, which causes problems as described and explained above. The same reaction will occur if a fluorinated binder is used. As is understood in the art, other side reactions involving water can also occur. For example, lithium metal can be deactivated by contact with water. To alleviate these problems, non-fluorine electrolytes and binders can generally be used. Water can be controlled so that it is very low in the components used to make batteries and battery modules, for example, if water is present in the electrolyte, it is at least in an amount of, for example, ppm. The following can be maintained. Prior to assembly of the battery module, the other components can be dried. Since long-term reliability is particularly important for HEV applications, sealing performance and strength are critical.
以下の実施例は、本発明を制限するのではなく、説明することを意図したものである。 The following examples are intended to illustrate but not limit the invention.
式Li4Ti5O12-xを有する本発明のチタン酸リチウムは、先に述べた本発明の方法にしたがって形成される。より詳しくは、二酸化チタンおよびリチウム系化合物を含む混合物を調製することによって、従来のLi4Ti5O12を最初に形成する。この混合物は、二酸化チタンおよびリチウム系化合物を表1に示された量で容器に導入することによって調製される。二酸化チタンおよびリチウム系化合物を混合し、二酸化チタンとリチウム系化合物の十分な混合を確実にするために、単峰性分布で、粒径が5μm未満、より好ましくは2μm未満となるまで、粒径分布測定を使用して、約60分間の期間に亘り少なくとも150rpmの回転速度でボールミル内で粉砕する。次いで、その混合物を、表1に示された温度と時間で、一定の流量でガスまたは混合ガスにより生成されたガス状雰囲気内で焼結する。このガスまたは混合ガスは、表1に示された量の還元剤およびイナートガスまたは不活性ガスを含む。その結果生じたチタン酸リチウムは、0<x<0.02の式Li4Ti5O12-xを有する。本発明のチタン酸リチウムの関連特性も、以下の表1に含まれている。
リチウム系成分AはLi2CO3である。 The lithium-based component A is Li 2 CO 3 .
リチウム系成分BはLiOHである。 The lithium-based component B is LiOH.
還元剤AはH2である。 Reducing agent A is H 2.
還元剤BはCH4(メタン)である。 The reducing agent B is CH 4 (methane).
還元剤CはCO(一酸化炭素)である。 The reducing agent C is CO (carbon monoxide).
イナートガスAはアルゴンである。 Inert gas A is argon.
不活性ガスBはN2(窒素)である。 The inert gas B is N 2 (nitrogen).
比較例
式Li4Ti5O12を有する従来のチタン酸リチウムは、先に述べたのと同様に形成する。しかしながら、ガス状雰囲気中には還元剤は存在しない。従来のチタン酸リチウムを形成するために使用した成分の量が、従来のチタン酸リチウムの関連特性と共に、以下の表2に示されている。
結果
実施例と比較例の可逆的な電力発電容量および電子伝導率に関して、本発明のチタン酸リチウムが、さらに高い可逆的な電力発電容量を示しながら、比較例の従来のチタン酸リチウムよりも高い電子伝導率を示すことが明らかである。
Results Regarding the reversible power generation capacity and electronic conductivity of the example and the comparative example, the lithium titanate of the present invention is higher than the conventional lithium titanate of the comparative example while showing a higher reversible power generation capacity. It is clear that it exhibits electronic conductivity.
詳しくは、XRDスペクトルが、Sol−X検出器によりCuKα放射線でのX線回折計Bruker D4で受信される。表1と2に列挙された全てのサンプルは、立方晶構造(Sp.Gr.Fd−3m(227))に対応する明確なスペクトルを与える。ほとんどのサンプル中に少量の残留TiO2(0.5%)が存在する。全プロファイル分析を使用して、従来の構造モデル(例えば、S. Scharner, W. Wepner, P.Schmid-Beurmann, Evidence of Two-Phase Formation upon Lithium insertion into the Li1.33Ti1.67O4 Spinel, Journal of the electrochmical Society, V.146, E.3, pp.857-861, 1999を参照のこと)に関して、立方晶結晶格子のパラメータ(a)が計算され、表1および2に示されている。比較例1および2により表された従来技術のLi4Ti5O12に関する典型的なスペクトルと、実施例2により表された本発明のLi4Ti5O11.985に関する典型的なスペクトルが、それぞれ、図6および7に示されている。 Specifically, an XRD spectrum is received by an X-ray diffractometer Bruker D4 with CuKα radiation by a Sol-X detector. All samples listed in Tables 1 and 2 give clear spectra corresponding to the cubic structure (Sp. Gr. Fd-3m (227)). There is a small amount of residual TiO 2 (0.5%) in most samples. Using full profile analysis, conventional structural models (eg S. Scharner, W. Wepner, P. Schmid-Beurmann, Evidence of Two-Phase Formation upon Lithium insertion into the Li 1.33 Ti 1.67 O 4 Spinel, Journal of (see the electrochmical Society, V.146, E.3, pp.857-861, 1999), the parameter (a) of the cubic crystal lattice was calculated and is shown in Tables 1 and 2. A typical spectrum for the prior art Li 4 Ti 5 O 12 represented by Comparative Examples 1 and 2 and a typical spectrum for the Li 4 Ti 5 O 11.985 of the present invention represented by Example 2 respectively. It is shown in FIGS.
実施例の電子伝導率は、平衡状態に到達するまで、合成条件下で粉末サンプルで加圧され焼戻しされた、直径20mm、2〜3mm厚のペレットについて測定される。測定は、90ボルトの電位で直流により4端子プローブ法により行われる。Li4Ti5O12サンプル(表2の比較例1および2)に関して信頼性のあるデータを受信する試みは不出来である。何故ならば、これらのサンプルの電子伝導率は、この方法の測定下限に非常に近いからである。したがって、電子伝導率の桁数のみが確定的である。ほぼ室温の狭い温度範囲における、表1の実施例2にしたがって合成されたLi4Ti5O11.985に関する測定結果が、図8に示されている。測定の不一致の主な原因は、著しい気孔率を有する圧縮粉末サンプルの性質、並びに粒界への近接および接触効果である。 The electronic conductivity of the examples is measured on 20 mm diameter, 2-3 mm thick pellets pressed and tempered with powder samples under synthesis conditions until equilibrium is reached. The measurement is performed by a four-terminal probe method with a direct current at a potential of 90 volts. Attempts to receive reliable data for the Li 4 Ti 5 O 12 sample (Comparative Examples 1 and 2 in Table 2) are unsuccessful. This is because the electronic conductivity of these samples is very close to the lower measurement limit of this method. Therefore, only the number of digits of electronic conductivity is deterministic. The measurement results for Li 4 Ti 5 O 11.985 synthesized according to Example 2 in Table 1 in a narrow temperature range of approximately room temperature are shown in FIG. The main cause of measurement discrepancies is the nature of the compressed powder sample with significant porosity, as well as proximity and contact effects to the grain boundaries.
Li4Ti5O12を還元するための焼結工程の反応速度を、温度制御還元方法によって試験した。還元ガスを含むガス状雰囲気下でのサンプルの線形加熱中、サンプルを流れ過ぎた後のガス濃度を測定する。図9を参照すると、Li4Ti5O12の温度に対する、水素、すなわち、還元剤の濃度の依存性が示されている。水素の初期濃度と、ガス状雰囲気がサンプルを流れ過ぎた後の水素の濃度との間の差により、焼結プロセスに使用された水素の量が与えられる。この曲線の積分によって、サンプル質量および混合ガスの流量の値を使用して、温度の関数として式Li4Ti5O12-xにおけるxの値を計算することができる。焼結工程中の還元は、450℃を過ぎると感知できるようになり、925℃まで滑らかに進行する。図10は、逆の絶対温度(ケルビン)に対する式Li4Ti5O12-xにおけるxの対数の依存性を示している。この曲線は、アレニウスのような特徴を有し、温度範囲500℃<T<925℃において直線に近い。 The reaction rate of the sintering process for reducing Li 4 Ti 5 O 12 was tested by a temperature controlled reduction method. During linear heating of the sample under a gaseous atmosphere containing a reducing gas, the gas concentration after the sample has flowed too much is measured. Referring to FIG. 9, the dependence of the concentration of hydrogen, ie, the reducing agent, on the temperature of Li 4 Ti 5 O 12 is shown. The difference between the initial concentration of hydrogen and the concentration of hydrogen after the gaseous atmosphere has flowed past the sample gives the amount of hydrogen used in the sintering process. The integration of this curve allows the value of x in the formula Li 4 Ti 5 O 12-x to be calculated as a function of temperature using the sample mass and mixed gas flow rate values. The reduction during the sintering process becomes perceptible after 450 ° C. and proceeds smoothly to 925 ° C. FIG. 10 shows the dependence of the logarithm of x in the formula Li 4 Ti 5 O 12-x on the inverse absolute temperature (Kelvin). This curve has Arrhenius-like characteristics and is close to a straight line in the temperature range of 500 ° C. <T <925 ° C.
図11は、Li4Ti5O12-xを含むリチウム系電池が、数多くのサイクル後に電力発電容量を維持することを示しており、図12〜15は、多くの充放電サイクル後でさえも、Li4Ti5O12-xの平らな充放電曲線を示している。 FIG. 11 shows that lithium-based batteries containing Li 4 Ti 5 O 12-x maintain power generation capacity after many cycles, and FIGS. 12-15 show even after many charge / discharge cycles. , Li 4 Ti 5 O 12-x shows a flat charge / discharge curve.
実施例1−ガス生成比較
この実施例は、従来の形成技法を使用して製造された電池と、ここに記載された技法を使用して製造された電池との間のガス生成の差を評価する。比較の電池は、EC/PC/EMC[25/5/70]中の1.2MのLiPF6の組成の標準的な電解質を使用したのに対し、本発明の電池では、EC/PC/EMC[25/5/70]中の1.2MのLiPF6+0.5%のLiBOB+5%のホスファゼンの組成の改良電解質を使用した。その上、比較の電池は、電池が1.6〜2.9Vの標準電圧範囲でサイクルにかけられる、サイクルプロセスを使用して形成される。対照的に、本発明の電池は、形成プロセス中に、アノード電位が0.5V未満に降下する状態まで過充電され、それによって、電解質に添加された添加剤の還元によって、アノードに不動態化層が形成される。比較の電池および本発明の電池の組成と形成プロセスが、下記の表3に記載されている。
図16のAおよびBは、それぞれ、比較の電池および本発明の電池の側面を示している。図16Aの膨潤から、相当な量のガスが比較の電池において生成されたことが明らかである一方で、図16Bは、本発明の電池においては、ほとんどまたは全くガスが生成されなかったことを示している。 16A and 16B show aspects of the comparative battery and the battery of the present invention, respectively. From the swelling of FIG. 16A, it is clear that a significant amount of gas was produced in the comparative battery, while FIG. 16B shows that little or no gas was produced in the battery of the invention. ing.
本発明を、説明様式でここに記載してきたが、使用された用語法は、制限ではなく説明の用語の性質であると意図されていることを理解すべきである。明らかに、上記の教示に鑑みて、本発明の多くの改変と変種が可能である。本発明は、付随の特許請求の範囲に具体的に記載された以外に実施してもよい。 Although the present invention has been described herein in a descriptive manner, it should be understood that the terminology used is intended to be the nature of the descriptive terms and not a limitation. Obviously, many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings. The invention may be practiced otherwise than as specifically described in the appended claims.
10 ハイブリッド車または電気自動車
14 バッテリーパック
16 回路
18 スイッチ
20 バッテリー管理システム
22 スイッチ管理・インターフェース回路
112 負極
113,117 金属集電材料
114 コーティング
116 正極
118 電解質
120 界面
122 ガス吸収剤
124 セパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (21)
動作電圧範囲を有するリチウム電池であって、
xが0より大きく、12未満である、式Li4Ti5O12-xの第1のチタン酸リチウムを少なくとも含む負極と、
正極と、
前記負極と前記正極に接触し、それらの間にある電解質であって、添加剤を含む電解質と、
を含むリチウム電池を提供する工程、および
前記電解質に接触した前記負極の界面に、前記添加剤の還元生成物を含むコーティングを形成する工程であって、前記動作電圧範囲より高い電圧まで前記リチウム電池を過充電し、前記負極の電圧を、Vが電圧である範囲0≦V≦1.0に降下させることを含む工程、
を有してなる方法。 In a method of manufacturing a battery,
A lithium battery having an operating voltage range,
a negative electrode comprising at least a first lithium titanate of the formula Li 4 Ti 5 O 12-x , wherein x is greater than 0 and less than 12 .
A positive electrode;
An electrolyte in contact with and between the negative electrode and the positive electrode, the electrolyte comprising an additive;
And a step of forming a coating containing a reduction product of the additive on the interface of the negative electrode in contact with the electrolyte, the lithium battery having a voltage higher than the operating voltage range. Overcharging and lowering the voltage of the negative electrode to the range 0 ≦ V ≦ 1.0 where V is a voltage,
A method comprising:
前記コーティングが、0から4Vに及ぶ電圧で前記電解質の分解を防ぐ、請求項1記載の方法。 The electrolyte decomposes at a potential of 1.5V to 3.0V lithium;
The method of claim 1, wherein the coating prevents decomposition of the electrolyte at voltages ranging from 0 to 4V.
前記第1のチタン酸リチウムが、前記第2のチタン酸リチウムの量より多い量で前記負極中に存在する、請求項1記載の方法。 In addition to the first lithium titanate, the negative electrode further comprises a second lithium titanate having the following formula: Li 4 Ti 5 O 12 different from the first lithium titanate,
The method of claim 1, wherein the first lithium titanate is present in the negative electrode in an amount greater than the amount of the second lithium titanate.
添加剤を含む電解質を提供する工程、および
リチウム電池であって、
xが0より大きく、12未満である、式Li4Ti5O12-xのチタン酸リチウムを含み、前記電解質と接触し、前記添加剤の還元生成物を含む表面コーティングを有する負極と、
前記電解質と接触した、混合酸化物タイプNMCを含む正極と、
を含むリチウム電池を製造する工程、
を有してなる方法。 In a method of manufacturing a battery,
Providing an electrolyte comprising an additive, and a lithium battery,
a negative electrode having a surface coating comprising lithium titanate of the formula Li 4 Ti 5 O 12-x , wherein x is greater than 0 and less than 12 , in contact with the electrolyte and comprising a reduction product of the additive;
A positive electrode comprising a mixed oxide type NMC in contact with the electrolyte;
Producing a lithium battery comprising:
A method comprising:
リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)およびホスファゼンを含む添加剤を有する電解質であって、0.5%のリチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)および5%のホスファゼンを含む電解質を提供する工程、および
リチウム電池であって、
前記電解質と接触し、チタン酸リチウムを含み、前記添加剤の還元生成物を含む表面コーティングを有する負極と、
前記電解質と接触した正極と、
を含むリチウム電池を製造する工程、
を有してなる方法。 In a method of manufacturing a battery,
Providing an electrolyte having an additive comprising lithium bisoxalate borate (LiBOB) and phosphazene, comprising 0.5% lithium bisoxalate borate (LiBOB) and 5% phosphazene, and lithium battery Because
A negative electrode having a surface coating in contact with the electrolyte, comprising lithium titanate and comprising a reduction product of the additive;
A positive electrode in contact with the electrolyte;
Producing a lithium battery comprising:
A method comprising:
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